Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

 Jan-Niklas Mehl

 

 

 MR-tomographische Beurteilung der Filtrationsleistung der Hundeniere

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-108304

title (engl.)

Determination of the kindney function in dogs using dynamic contrast-enhanced MRI

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/mehlj_ss16.pdf

abstract (deutsch)

Ziel dieser Studie war es, mittels der Daten, die aus den DCE-MRT-Aufnahmen von acht klinisch gesunden Hunden gewonnen wurden, die Nierenfunktion dieser Tiere zu beurteilen. Zuvor wurden alle Hunde klinisch untersucht und der Gesundheitszustand der Nieren durch die Bestimmung der glomerulären Filtrationsrate (GFR) mittels Messung der Plasma Clearance von exogen verabreichtem Kreatinin beurteilt. Für die DCE-MRT-Aufnahmen wurden die Hunde mittels einer Kombination aus Injektions- und Inhalationsnarkotika anästhesiert. Die DCE-MRT-Aufnahmen erfolgten mittels einer stark T1-gewichteten Sequenz bei einer kurzen Bildgenerierungszeit (0,58 Sekunden zwischen den einzelnen Bildern). Während der DCE-MRT-Aufnahmen wurde den Hunden eine genau definierte Menge an Kontrastmittel (Gd-DOTA) mittels einer Spritze manuell intravenös injiziert.

Die Auswertung der DCE-MRT-Sequenzen erfolgte mit Hilfe der Software ImageJ® und Microsoft Excel®. Zuerst wurde der Zusammenhang zwischen der Kontrastmittelkonzentration und der Signalintensität bei diesen Aufnahmesequenzen mittels einer Verdünnungsreihe, die aus 25 Teströhrchen bestand, berechnet. Die Teströhrchen waren mit unterschiedlichen, genau definierten Mengen an KM befüllt. Die Auswertung dieses Versuchs ergab einen exponentiellen Zusammenhang zwischen der Signalintensität und der KM-Konzentration. Anschließend wurden die zeitabhängigen KM-Konzentrationsverläufe während der Aufnahmesequenzen in der Aorta, der linken und rechten Niere sowie jeweils in Nierenrinde und Nierenmark auf beiden Seiten berechnet. Zur Messung der Signalintensitätsveränderungen während der DCE-MRT-Aufnahmen wurde die Software ImageJ® verwendet. Dazu wurden bestimmte Bildregionen (Regions of Interest, ROIs) im Bereich der Aorta, beider Nieren und jeweils der Nierenrinde und des Nierenmarks auf beiden Seiten manuell auf einem Bild eingezeichnet und anschließend auf alle folgenden Bilder der DCE-MRT-Sequenz übertragen. Der Mittelwert der Signalintensitätsänderungen wurde daraufhin gemessen und der zeitliche Verlauf der Signalintensität ausgewertet. Aufgrund der Atembewegungen der Hunde während der DCE-MRT-Sequenz entstanden Artefakte im zeitabhängigen Signalintensitätsverlauf, die durch die Verwendung eines mathematischen Filters (Savitzky-Golay-Filter) eliminiert werden konnten. Die Bestimmung der KM-Konzentrationen in den betreffenden Organen bzw. Organabschnitten erwies sich als schwierig, da es in den betreffenden ROIs aufgrund der relativ groß gewählten Schichtdicke zu Überlagerungen von Gewebe aus dem gesuchten Organ und Restgewebe kam. Besonders die Bestimmung der KM-Konzentration im Nierenmark war kompliziert, weil sich innerhalb der einzelnen Voxel die Signalintensitätsänderungen aus den Anteilen von Nierenmark, Nierenrinde und Restgewebe zusammensetzten. Der Anteil der anderen Gewebestrukturen an den Voxeln musste jeweils berechnet und anschließend subtrahiert werden. Bei allen Hunden konnten die zeitabhängigen KM-Konzentrationen in den ausgewählten Organen bzw. Organabschnitten berechnet werden. Dabei ergab sich für alle Hunde ein ähnlicher Konzentrationsverlauf. In der Aorta stieg die KM-Konzentration bis zu einem ersten Maximum kontinuierlich an. Anschließend fiel die Konzentration bis zu einem minimalen Wert aufgrund der weiteren Ausbreitung des Kontrastmittelbolus im Körper. Danach konnte bei allen Hunden ein zweiter geringerer Anstieg der KM-Konzentration in der Aorta beobachtet werden, der durch das wiederholte Passieren des Kontrastmittelbolus in der Aorta verursacht wurde. In den Nieren und der Nierenrinde wurde jeweils ein im Vergleich zur Aorta etwas verzögerter Anstieg beobachtet, wobei nur das erste Maximum bei allen Hunden eindeutig identifiziert werden konnte. Der Anstieg der KM-Konzentration im Nierenmark erfolgte später als in der Niere. Bei allen Hunden konnte ein kontinuierlicher Anstieg identifiziert werden, dem nach einem maximalen Wert ein kontinuierlicher Abstieg folgte. Dieser Abstieg war durch die Eliminierung des Kontrastmittels aus den Nieren in die harnableitenden Organe gekennzeichnet. Im Seitenvergleich konnten für die linke und rechte Seite geringe Unterschiede in den Konzentrationsverläufen bei einzelnen Hunden in Niere, Nierenrinde und Nierenmark festgestellt werden. Diese entsprachen den von uns erwarteten Ergebnissen von nierengesunden Hunden.

Die Bestimmung der GFR erfolgte auf der Basis eines 2-Kompartiment-Modells. Für die Berechnung der GFR wurde die Methode des Rutland-Patlak-Plots (RPP) verwendet. Bei dieser Methode werden die KM-Konzentrationen der Aorta und der Niere in einem bestimmten Zeitintervall ausgewertet. Die Festlegung des Zeitintervalls hat einen erheblichen Einfluss auf die GFR. Unter Berücksichtigung der Nierenphysiologie wurde für alle Hunde ein optimales Zeitfenster bestimmt, innerhalb dessen der RPP ausgewertet wurde. Um künftig eine leichtere Anwendung dieses Verfahrens zu ermöglichen, wurde die Festlegung des Zeitintervalls vereinfacht. Dazu wurde ein 60 Sekunden Zeitfenster definiert, das im Vergleich zum optimalen Zeitfenster leichter zu identifizieren ist. Die berechneten Ergebnisse auf der Basis beider Zeitfenster ergaben ähnliche Resultate. Insgesamt fielen die berechneten GFR-Werte im Vergleich zu den mittels der Clearance von exogen verabreichtem Kreatinin berechneten Werten geringer aus. Zusätzlich wurde die Stärke des Einflusses der Größe und Lokalisation verschiedener ROIs zur Berechnung der KM-Konzentration der Aorta beurteilt. Die Wahl von Größe und Lokalisation beeinflusst die KM-Konzentrationen und somit auch die Berechnung der GFR mittels RPP-Modell. Die besten Ergebnisse wurden dann erzielt, wenn die ROI innerhalb der Aorta so groß wie möglich eingezeichnet wurde. Mittels dieses Verfahrens scheint es möglich zu sein, die seitengetrennte Nierenfunktion der einzelnen Nieren der Hunde zu beurteilen. Da bei diesem bildgebenden Verfahren keine ionisierende Strahlung auf den Patienten einwirkt, sollte dieses Verfahren weiter erforscht werden. Künftige Studien sollten auf eine größere Patientenzahl mit nierenkranken Tieren sowie eine Optimierung der DCE-MRT-Aufnahmesequenzen abzielen.

 

abstract (englisch)

The aim of the study was to measure the single kidney function of eight healthy dogs using the data of the DCE-MRI examinations. Prior to the DCE-MRI studies all dogs had been examined clinically and judged as healthy. To evaluate the kidney status of all dogs their GFR was measured by the plasma clearance of exogenously administered creatinine. To prepare the DCE-MRI examinations all dogs were anaesthetized using a combination of injectable and inhalant anesthetics. The DCE-MRI-examinations were performed using a heavily T1-weighted sequence with a short period of time between two images (0.58 seconds). During the DCE-MRI examinations an exactly calculated amount of contrast medium (Gd-DOTA) was injected manually intravenously in every single dog. The analysis of the DCE-MRI sequences was undertaken using the computer software ImageJ® and Microsoft Excel®. First, the relationship between the changes in SI and concentration of the contrast medium in the DCE-MRI sequences had to be determined. Therefore, a serial dilution containing 25 test tubes filled with varying amounts of contrast medium were examined with the settings of the DCE-MRI sequences. On analyzing the results an exponential fit was found between SI-changes and the concentration changes.

To evaluate the single kidney function the time-dependent changes of contrast medium concentrations were determined in the aorta, left and right kidney and the cortex and medulla in each kidney. Thereby, so called regions of interest (ROI) were drawn manually over the aorta, left and right kidney and the cortex and medulla of each kidney using the computer software ImageJ® in one image. Subsequently, these ROIs were copied automatically on all images of the sequence. The mean values of the SI-changes were measured and the time-dependent SI-changes were interpreted. Breathing movements of the dogs during the DCE-MRI examinations caused artifacts in the time-dependent progress of the SI-changes. These artifacts were eliminated using a special mathematical filter (Savitzky-Golay filter) in post editing. Due to the large slice thickness in the DCE-MRI sequences the calculation of the contrast medium concentrations in the organs proved complicated due to overlapping of the tissue and residual tissue. Especially in the ROI of the medulla the SI-changes were produced by medulla, cortex and residual tissue. The proportion of the different tissues had to be computed and subtracted subsequently. For all dogs the time-dependent changes of contrast medium concentrations could be measured in all organs. The concentration profile of every dog was of similar nature but slightly different. In the aorta the contrast medium concentration increased continuously until a first maximum value was reached. After that it decreased until a minimum value was reached due to the further propagation of the contrast medium bolus in the body. Hereafter the concentration increased again because of the second passage of the contrast medium bolus in the aorta. In the kidneys and cortexes a slightly delayed increase in the contrast medium concentration compared to the aorta could be monitored. Only the first maximum could be identified in all dogs. The ascent of the contrast medium in the medulla started later than in the kidneys and cortex. For all dogs a continuous ascent could be monitored followed by a continuous decrease. The decrease was caused by the elimination of the contrast medium into the following urinary tract. Comparing the left and right side of every dog minor differences in the concentration values could be observed. These results met our expected requirement concerning the kidney function of healthy dogs.

The single kidney GFR of all dogs’ DCE-MRI sequences was calculated using a modified two compartment model (Rutland-Patlak plot). The determination of the time interval used for calculating the GFR had a major impact on the results. For all dogs an optimum time interval for the calculation of the RPP was determined. One main aspect of the study was found as a possible later practicability of this examination, that of an easy to be identified time interval of 60 seconds for calculating the RPP for all dogs. For both time intervals similar GFR-results were found. All together the results of the DCE-MRI examinations were lower than the GFR-results calculated by the clearance of the exogenous administered creatinine. Additionally, the influence of the size and localization of the ROI in the aorta for calculating the contrast medium concentration in the aorta was evaluated. Both parameters have an influence on the calculation of the contrast medium in this organ and consequently on the calculation of the GFR using the RPP-model. The best results were found when the ROI in the aorta was drawn as large as possible. This method seems to be promising for analyzing the single kidney function of dogs. As there is no ionizing radiation used in MRI examinations, this method should be part of future research studies. Future studies could include more patients and patients with renal failure and some modifications according to the recording sequences.

 

keywords

kidney function MRI dog / Nierenfunktion Hund MRT

kb

2.541